Foto: Intel och TT

Global brist på halvledare – här är allt du behöver veta

2021-04-08 06:00  

23 frågor och 23 svar. Världens bilfabriker får stoppa sin produktion och grafikkortstillverkare kan inte kan leverera produkter. Vad är halvledare och varför är det så stor brist på dem just nu?

Anders Frick

1. Vad är halvledare?

Enkelt förklarat: Något som kan ställas om från att leda ström till att vara isolerande, och vice versa. Grundämnet kisel är ett mycket vanligt halvledarmaterial. På engelska heter kisel ”silicon” – som i Silicon Valley. Kisel är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan efter syre och finns ofta i form av kiseldioxid, som finns i exempelvis sand och lera. Det är även vanligt förekommande i form av mineralet kvarts – kiseloxid.

2. Vad kan man använda halvledare till?

Av kisel kan man bygga halvledarkomponenter som exempelvis transistorer och en massa andra komponenter som kan hantera elektricitet på olika sätt. I datorernas värld pratar man ju om ettor och nollor, förenklat förklarat ”ström på” eller ”ström av”, vilket är grunden till väldigt mycket inom elektronikvärlden.

Läs mer: Därför får chipbristen bilindustrin att sluta rulla 

Kisel är även vanligt i solceller där den fotovoltaiska effekten – att ljusets fotoner används för att "knuffa bort" elektroner från solcellen – gör det möjligt att ta upp elektrisk energi. För att öka ledningsförmågan i kisel tillsätts ofta andra ämnen genom dopning.

3. Hur svårt är det att tillverka halvledare?

Att tillverka enkla halvledare är jättelätt – det kan man göra i ett labb på gymnasiet. Men dagens professionella halvledare är superkomplicerade och svåra att tillverka, och det beror främst på att man numera klämmer in miljontals transistorer per kvadratmillimeter. Inom branschen används begrepp såsom ”7 nm-process” och ”5 nm-process” för att illustrera storleken i nanometer för de transistorer som produceras.

Nästa storlekssteg är 3 nm, men namnet korrelerar bara delvis med den faktiska storleken på transistorn och namnen är numera främst en marknadsföringsterm snarare än exakt indikation på transistorstorlek.

4. Hur länge kan transistorstorleken fortsätta att minska?

Moores lag, uppkallad efter en av Intels grundare, Gordon E Moore, säger att antalet transistorer på en given yta fördubblas vartannat år, ungefär. Moores lag formulerades 1965 och har visat sig ganska så korrekt ända sedan dess, dock med små justeringar.

För fem år sedan sades det att branschen kommer att frångå Moores lag inom fem år – men än har det inte hänt. Kisels atomstorlek är ungefär 0,2 nm, men ju mindre transistorerna blir, desto fler oönskade kvanteffekter uppstår.

Grafik: Jonas Askergren

Grafik: Jonas Askergren

5. Vad kostar det att tillverka halvledare?

Processortillverkaren Intel ska bygga två nya halvledarfabriker till en kostnad av 20 miljarder US-dollar. TSMC:s senaste fabrik i Taiwan var ungefär i samma härad, medan företagets fabrik i Arizona beräknas kosta 12 miljarder dollar. HSMC i Kina hade planerat att investera motsvarande 160 miljarder kronor i sin verksamhet – och i Indien lockar myndigheterna med kontanta bidrag på en miljard US-dollar för den som öppnar halvledartillverkning i landet. 

Samsung meddelade för två år sedan att man fram till år 2030 planerar att lägga 10 miljarder dollar per år på sin halvledarverksamhet. Nyligen berättade TSMC att bolaget ökar sin budget för forskning, utveckling och produktionskapacitet till 100 miljarder dollar de närmaste tre åren. Sammantaget krävs det alltså rejäla pengar för den som vill börja med halvledartillverkning. 

6. Vilka är världens främsta aktörer?

Intel, Samsung och TSMC. Den beräknade försäljningen av kiselbaserade chip för enbart dessa tre aktörer var under 2020 omkring 180 miljarder US-dollar.

7. Hur stor är världsmarknaden för chip?

Försäljningen av datorchip på världsmarknaden var 440 miljarder US-dollar under 2020, vilket är en ökning med 6,8 procent jämfört med 2019, enligt statistik från branschorganisationen World Semiconductor Trade Statistics.

Ökningen är är störst inom kategorierna logik, sensorer och minne. Under 2021 väntas försäljningen öka med ytterligare drygt 10 procent.

8. Nu är det chipbrist i världen – vad beror den på?

Främst på grund av coronapandemin och dess följdeffekter. När pandemin slog till på våren 2020 drog många fordonstillverkare i nödstoppet och avbeställde sina chip. Samtidigt ökade kraftigt efterfrågan på elektronikprodukter för distansarbete, vilket gjorde att andra aktörer övertog den produktionskapacitet som plötsligt uppstod i chipfabrikerna.

Det handlar om chip för exempelvis servrar, bärbara datorer, mobiltelefoner och andra uppkopplade enheter.

9. Men sedan ändrade sig fordonstillverkarna?

Ja! Det visade sig efter ett tag att behovet av bilar kraftigt ökade i stället för minskade – kanske på grund av att folk hellre åker egen bil än tar risken att bli coronasmittade i kollektivtrafiken. När bilindustrin började vakna till igen och la nya order hamnade dessa längst bak i kön, i redan fyllda chipfabriker.

10. Vilka är drabbade av chipbristen?

I princip samtliga fordonstillverkare har drabbats. Det gäller inte enbart personbilar utan även lastbilar och andra fordon – mycket på grund av den allt ökande digitaliseringen och elektrifieringen av alla fordonstyper. Men bristen är nu så allvarlig att chipbristen drabbar även tillverkare av vanliga elektronikprodukter.

Grafik: Jonas Askergren

11. Varför drabbades just fordonstillverkarna så kraftigt?

Bilindustrin arbetar mycket med produktionskonceptet lean där just-in-time är en viktig del. En modern bilfabrik har i princip inga lager, samtidigt som mikroelektronikkomponenter i dag står för ungefär 40 procent av kostnaderna för en ny bil, vilket kan jämföras med 2007 då motsvarande siffra var 20 procent. 

12. Varför kan fordonstillverkarna inte köpa sig förbi kön?

Det är en avancerad process med långa ledtider, vilket gör att det inte går att ställa om produktionsprocessen i en handvändning. Bilindustrin kommer alltså att behöva vänta i ett antal månader för produktion, kapsling och testning, innan lagren kan börja fyllas upp igen. 

13. När är chipbristen över?

Givet den generellt höga efterfrågan på mikroelektronik kommer det att ta tid innan det blir bättre och biltillverkarna kommer tillbaka till ett normaltillstånd med leveranser av komponenter. Det går inte att ge något exakt datum, men mycket talar för att bristen i alla fall är åtgärdad inom ett år.

14. Vilka konsekvenser har chipbristen fått?

Halvledare och datorchip har blivit involverade i geopolitik på högsta nivå. Vi ser att nationalism och protektionism kan sätta stopp för coronavaccin – vad skulle det då inte kunna göra med chiptillverkningen? Relationen mellan Taiwan och Kina är en historia i sig, men gör inte situationen lättare att bedöma.

15. Har chipbristen med utvinningen av kryptovalutor att göra?

Nej, att utvinna bitcoin, ethereum och andra kryptovalutor är visserligen energikrävande, men chipbristen påverkas bara marginellt av miningverksamheten – trots att Tesla nu stödjer bitcoin. Däremot drabbas även tillverkare av grafikkort och annan kryptoutvinningsteknik av chipbristen.

16. Kan man kompensera chipbristen med andra chip?  

Enkla chip går visserligen att byta ut mot andra chip, men avancerade chip som det nu råder brist på är framtagna för specifika kunder och produkter och är inte utbytbara. Generellt beror det på hur man som företag har arbetat med sin komponentförsörjningsstrategi.

Bolag som har utvärderat alternativa komponenter kan ha lättare att hitta komponenter, men i annat fall väntar nu ett digert arbete med att identifiera nya komponenter som blir tillgängliga. 

17. Vilka olika typer av halvledartillverkare finns det?

Det finns främst tre kategorier av tillverkare: IDM:s, fabless och foundries.  

  • Integrated device manufacturers (IDM:s). Designar och producerar komponenter/integrerade kretsar (IC). Exempel: Intel, Samsung och Texas Instruments. 
  • Fabless semiconductor companies. Designar komponenter/integrerade kretsar (IC). Exempel: Qualcomm, Nvidia och AMD. 
  • Pure play foundries. Producerar komponenter/integrerade kretsar (IC). Exempel: TSMC, Global Foundries och UMC. 

Att Samsung ibland både räknas som IDM och Foundry beror på att det i Samsungkoncernen finns fabless-verksamheter som utvecklar komponenter som sedan produceras av foundry-delen. 

Samsung är en av två dominerande tillverkare av kiselbaserade chip. Foto: Samsung

Nyligen rapporterade vi att Intel tar upp kampen genom att även tillverka chip åt andra än sig själva. I dag både designar och producerar Intel komponenter och integrerade kretsar. Genom satsningen Intel Foundry Services kommer chip och produktionskapacitet att erbjudas både i den egna koncernen och hos externa aktörer – på samma sätt som exempelvis Samsung gör.

Chef för satsningen blir industriveteranen Randhir Thakur, som tidigare har arbetat åt företag som Applied Materials och Sandisk.

18. Hur har chipproduktionen kunnat bli så koncentrerad? 

Statliga investeringar har sedan länge varit väsentliga för utvecklingen av halvledarproduktion. På grund av enorma tekniska utmaningar och stigande kostnader som industrin står inför byggs inga chipfabriker i dag utan någon form av offentligt stöd.

Det råder hård konkurrens om att locka fabriksetableringar bland ett litet antal länder som ser chipproduktion som en nationell prioritering. Många regeringar ger generösa incitament för att attrahera och utveckla kapacitet för halvledartillverkning inom landet.

OECD uppskattar att enbart under åren 2014-2018 fick 21 stora halvledarföretag mer än 50 miljarder dollar i statliga stöd. 

19. Vilka vinner på situationen?  

Chiptillverkarna. Att ha kunder som är närmast desperata över att få sina chip sätter tillverkarna i en fördelaktig situation, rent ekonomiskt. TSMC har exempelvis utlovat en löneförhöjning på 20 procent för alla medarbetare.

Som jämförelse var medianlönen på TSMC redan 2019 drygt 40 000 kronor i månaden - exklusive pension och bonusar. Bonusarna för 2019 uppgick för en ingenjör till 19 extra månadslöner.  

20. Varför börjar Apple tillverka sina egna chip?

Bolaget fasar nu ut sina Intel-processorer till förmån för egendesignade Arm-chip (Apple Silicon). Det gör att Apple får större kontroll över chipen och slipper att anpassa sig efter Intels produktkatalog och leveranstider.

21. Vad gör EU för att lindra chipbristen?

Europa kraftsamlar för att skapa en europeisk processorindustri – med målet är att vara bäst i världen om mindre än fem år. Satsningen går under namnet European Processor Initiative, EPI. Ett av delmålen är att skapa en exascaledator – nästa generations superdator – och den ska vara klar redan år 2023.

EPI nådde nyligen en milstolpe då designen för ett testchip skickades till TSMC:s fabrik i Taiwan för produktion. En nisch för det europeiska chipet är energisnålhet. Chipen ska vara energisnåla – men utan att kompromissa med prestanda.

Intelfabrik för chiptillverkning i Hillsboro, Oregon, USA. Foto: Intel

22. Räcker det?

Tysklands finansminister Peter Altmaier tycker inte det, och uppmanar till ett EU-gemensamt initiativ som främjar den europeiska halvledarindustrin. Satsningen ska göras tillsammans med industrin och Peter Altmaier förväntar sig att kunna mobilisera upp mot 500 miljarder kronor till satsningen.

Tillsammans med sin franska kollega Bruno Le Maire arbetar nu Peter Altmaier och andra företrädare för att kunna genomföra ett IPCEI-projekt för halvledarbranschen. (IPCEI=Important Project of Common European Interest).

Till skillnad från European Processor Initiative så vill alltså Peter Altmaier bokstavligen bygga europeiska halvledarfabriker i Europa som konkurrerar med TSMC, Samsung och andra.

23. Hur arbetar olika länder med chipbristen på lång sikt?

Olika länder tacklar chipbristen på olika sätt. Här är några exempel:

· USA har lockat såväl TSMC som Intel att göra mångmiljardsatsningar i Arizona – mycket tack vare Donald Trumps satsning på att sätta USA först, vilket har lett till såväl förmånliga etableringsvillkor som formella lagkrav på etablering på amerikansk mark.

· Indien lockar med kontanta bidrag på en miljard US-dollar för den som öppnar halvledartillverkning i landet. Chips som tillverkas lokalt i Indien kommer att betecknas som ”betrodda”, vilket ger grönt ljus för att använda dem i exempelvis övervakningsprodukter och 5g-utrustning.

· Kina har flera satsningar på halvledarproduktion. En av dem, Wuhan Hongxin Semiconductor Manufacturing Co. (HSMC), har dock inte lyckats. HSMC grundades 2017 och planen var att investera motsvarande 160 miljarder kronor i en produktionsanläggning för chiptillverkning, vilket direkt och indirekt skulle skapa 50 000 jobb. Likviditetsproblem och andra utmaningar har dock tvingat bolaget att lägga ner den ambitiösa satsningen.

Kina ökade även nyligen sin budget för teknikutveckling och forskning med 7 procent per år de kommande fem åren – något som ska göra landet mindre teknikberoende av omvärlden.

· Taiwan har TSMC och UMC, två av världens största halvledartillverkare. Båda är avknoppningsbolag från forskningsinstitutet ITRI, Industrial Technology Research Institute, som etablerades 1973 och ligger i Hsinchu, söder om huvudstaden Taipei.
TSMC grundades med en helt ny affärsmodell i fokus: Kunderna skulle själva utveckla och designa sina produkter medan TSMC stod för produktionen.

Det tog flera år innan TSMC:s modell fick fäste, men i takt med att det blev allt mer kostsamt att utveckla och underhålla fabriker så valde flera komponentutvecklare att sälja sin egen produktionskapacitet för att i stället köpa in den av TSMC eller någon av de andra leverantörerna av så kallade foundry-tjänster. År 2008 beslöt TSMC att ge sig in på kretsar för styrsystem i fordon – något som har visat sig vara väldigt framgångsrikt.

· Tyskland har bland annat industriföretaget Bosch, som sedan 1970 har producerat halvledare för fordonsindustrin i staden Reutlingen. Bosch ASIC:ar har bland annat använts i funktioner för krockkuddar.

I sommar inviger Bosch sina nya chipfabrik i Dresden, där mikrochip för bilindustrin ska tillverkas i en helautomatiserad tillverkningsprocess. Platsen kallas för Silicon Saxony, Dresdens egen motsvarighet till Silicon Valley. Redan i januari i år började Bosch tillverka prototyper i fabriken, men den officiella produktionsstarten dröjer något och är planerad till juni 2021. Bosch räknar med att fabriken kommer att ha 700 anställda.

· Sverige tillverkar inte egna chip, men faktum är att Ericsson tidigare har tillverkat egna chip i Sverige, mer specifikt i Kista. Kistafabriken byggdes för att tillverka prototyper och kretsar i korta serier och övergick senare till volymproduktion av radiokretsar för mobiltelefoni och liknande.

Infineon köpte fabriken från Ericsson Microelectronics 2002 men valde att flytta utrustningen till Tyskland, vilket gjorde att förutsättningarna föll för att driva fabriken vidare. År 2007 kom så det slutliga beskedet att fabriken läggs ner.  

· Övriga Europa har halvledartillverkning i viss utsträckning, men är klart mindre än satsningarna i Asien och Nordamerika. En europeisk chiptillverkare är ST Microelectronics som bildades efter en sammanslagning av SGS Microelettronica från Italien och Thomson Semiconducteurs från Frankrike. Bolaget har flera fabriker i Frankrike. 

Bolaget Global Foundries har en fabrik i Dresden, Tyskland. Ett annat centralt bolag är ASM Lithography, numera ASML, som skapades som ett joint venture mellan Advanced Semiconductor Materials International (ASMI) och Philips. Bolaget är världens främsta tillverkare av mikrolitografisk utrustning för halvledarindustrin. 

Vad som händer i framtiden är svårt att sia om – men många håller tummarna för European Processor Initiative samt initiativet från Tysklands finansminister.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer